Кости очень прочные, но податливые. Благодаря их иерархическому строению внешняя сила действует лишь на долю их мельчайших структурных единиц: вся кость растягивается гораздо больше, чем ее отдельные волокна, которые, словно смазанные тонким слоем клея, смещаются относительно друг друга. Об этом свидетельствует новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Кости должны быть достаточно жесткими, чтобы они не деформировались под собственным весом тела. Однако, как и глина для лепки, они могут поглощать достаточно энергии, чтобы не расколоться, как керамика, при относительно безопасном падении. Тот факт, что кость сочетает в себе свойства глины для лепки и керамики, обусловлен ее структурой: половина ее состоит из эластичного волокнистого белка коллагена, а другая половина - из хрупкого минерального апатита.
Давление, поглощаемое деформацией
Но только структура органических и неорганических компонентов в нанометровом и микрометровом диапазоне делает его стабильным и нерушимым: отдельные компоненты деформируются иерархически, как утверждают ученые из Института исследований коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка в Потсдаме. скажем разобрались. Мягкие органические компоненты поглощают высокое давление, так что мельчайшие компоненты, крошечные апатитовые пластины, ощущают лишь шестую его часть.
Сами минеральные плиты жесткие и хрупкие и могут сломаться при относительно небольших нагрузках. Мягкие слои коллагеновых волокон между ними, напротив, легко деформируются. Минеральные тромбоциты и коллагеновые волокна изначально образуют фибриллы - волокна, которые, в свою очередь, откладываются во внеклеточном матриксе. Это, в свою очередь, может быть деформировано легче, чем отдельные волокна.
Небольшой размер обеспечивает стабильность
Помимо иерархической деформации, ученые нашли вторую причину прочности костей: кристаллы апатита в них также могут выдерживать гораздо большее давление, чем предполагают свойства минерала. Это связано с размером тромбоцитов - их размер составляет всего несколько нанометров. Поскольку такие маленькие частицы ведут себя иначе, чем кристаллы микрометрового размера, они могут выдерживать в два-три раза большие усилия, прежде чем разрушиться.
«Из-за малого размера частиц трещины не образуются так быстро, - говорит Химадри Гупта, один из ученых Института коллоидов и интерфейсов им. Макса Планка. только в известных материаловедению. Используя биоматериал, исследователи впервые продемонстрировали, что мелкие частицы более устойчивы, чем крупные.
Принципы построения костей - иерархическая деформация, матричная чувствительность и высокая стабильность наночастиц - могут служить моделями для новых материалов. Однако новые результаты также помогают понять, какие молекулярные изменения вызывают ломкость костей при остеопорозе.